Назначение и функции интерфейсов

При создании ВМ и их эксплуатации необходимо решать важную задачу объединения в единый комплекс (систему) различных функциональных модулей и устройств, используемых для обработки и хранения данных, для отображения информации, для связи с объектами и каналами передачи данных и т.п. Эта задача решается унифицированными системами сопряжения - интерфейсами ВМ.

Стандартным интерфейсом называется совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов в автоматических системах сбора и обработки информации при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости указанных элементов (ГОСТ 23633 – 79).

Основным назначением интерфейсов является унификация внутрисистемных и межсистемных связей функциональных элементов ВМ.

Понятие «интерфейс» - комплексное и может применяться как к системам в целом (например, системный и сетевой интерфейсы), так и к отдельным составным элементам систем: аппаратным средствам (аппаратный и физический интерфейсы), программному обеспечению (программный интерфейс), совокупности правил взаимодействия модулей ВМ (логический интерфейс) или человека – пользователя с компьютером (пользовательский или операторский интерфейсы). Структурная схема интерфейса показана на рис.7.1.

Проектирование стандартных интерфейсов выполняется на основе четырех взаимосвязанных принципов разработки современных МС: группового, агрегатирования, унификации и взаимозаменяемости /2, 8, 13/.

Принцип группового проектирования заключается в создании ряда (семейства) функционально и конструктивно подобных устройств (модулей, систем) определенного назначения, соответствующих разнообразным условиям их использования. Основная задача группового проектирования – достижение максимальной универсальности и совместимости компьютеров, вычислительных систем и ком
плексов внутри проектируемого ряда (семейства).

Принцип агрегатирования (модульного построения) состоит в рациональном разделении системы (устройства) на совокупность более простых функционально и конструктивно законченных блоков (модулей) с целью совершенствования их технических характеристик, а также обеспечения высокопроизводительных способов производства и обслуживания. Модули нужной номенклатуры объединяются в нужных количествах с помощью интерфейса.

Принцип унификации заключается в минимизации номенклатуры составных блоков, устройств, модулей и связей между ними при условии рациональной компоновки и эффективного функционирования устройства или системы в целом. Интерфейс можно рассматривать как результат унификации связей и устройств сопряжения составных элементов ВМ.

Принцип взаимозаменяемости основывается на способности модуля выполнять в ВМ различные функции по его установке и подключению без дополнительной конструкторской доработки. Взаимозаменяемость является следствием унификации.

Основные функции интерфейса заключаются в обеспечении информационной, электрической и конструктивной совместимости между функциональными элементами системы.

Информационная совместимость – согласованность взаимодействий функциональных элементов системы в соответствии с совокупностью логических условий. Логические условия определяют: структуру и состав унифицированного набора шин; набор процедур по реализации взаимодействия и последовательности их выполнения для различных режимов функционирования; способы кодирования и форматы команд, данных, адресной и статусной информации; временные соотношения между управляющими сигналами, ограничения на их форму и взаимодействие. Логические условия информационной совместимости определяют структурную и функциональную схемы интерфейса. Для обеспечения информационной совместимости интерфейс реализует следующие функции: арбитража, синхронизации, координации, буферизации и преобразования формы представления информации.

Электрическая совместимость – согласованность статических и динамических параметров электрических сигналов в системе шин с учетом ограничений на пространственное размещение устройств интерфейса и техническую реализацию приемопередающих элементов. Условия электрической совместимости определяют: типы приемопередатчиков, их допустимую нагрузочную способность на резистивную и емкостную нагрузку; соотношения между электрическими и логическими состояниями сигналов и пределы их изменений; допустимую длину линий интерфейса и порядок подключения линий к разъемам; требования к источникам и цепям электропитания; требования к заземлению и помехозащищенности. Условия электрической совместимости влияют на такие параметры интерфейса, как скорость обмена данными, предельно допустимое число подключенных устройств, порядок их подключения и расстояние между ними, помехоустойчивость.

Конструктивная совместимость – согласованность конструктивных элементов интерфейса, предназначенных для обеспечения механического контакта электрических соединений и механической замены схемных элементов, блоков и устройств. Условия конструктивной совместимости определяют: типы соединительных разъемов и распределение линий связи внутри разъемов: конструкцию и размеры плат, каркасов, стоек; конструкцию кабельных соединений. Например, в системах управления технологическими процессами и телекоммуникационных системах широко применяются конструктивы Евромеханика.

Выполнение рассмотренных интерфейсных функций обеспечивается стандартами, разрабатываемыми международными и национальными организациями по стандартизации (например, International Standardization Organization – ISO, American National Standards Institute - ANSI), а также рекомендациями международных союзов, ассоциаций и комитетов (International Telecommunications Union – ITU, Institute of Electrical and Electronic Engineers – IEEE, Electronic Industry Association – EIA и др.). Стандарт на интерфейс устанавливает разумное соотношение между ограничениями на реализацию интерфейса и устройств сопряжения и возможностями варьирования тех или иных технических характеристик интерфейса с целью наиболее эффективного приспособления его к конкретной системе.